我们在本文中探讨大功率热管理系统的发展趋势，以及它们为何在各行各业中变得越来越重要。我们将研究HVAC和液冷领域中的关键挑战与机遇，并展示这些产品、解决方案和生态系统如何帮助客户提升效率、集成度和上市速度。

全球变暖、电气化、可再生能源的增长，以及人工智能数据中心密度激增，热负荷增加等四大趋势，正在重塑我们世界。你可能会想，这一切与电机控制有什么关系？关键在于：对于这四个趋势中的每一个，开发和部署高功率热管理系统都至关重要，用于空间制冷的商用空调、实现空间供暖脱碳的热泵、电池储能热管理，以及人工智能数据中心的液冷或混合冷却解决方案，电机控制在其中起着关键作用。

让我们看看最典型的架构，首先是HVAC，然后会讨论“非舒适性热管理”，即行业内特指的非舒适性热管理，区别于面向人居环境的舒适性HVAC系统，核心服务于AI数据中心、电网级储能等工业级热管理场景，以便根据功率水平和复杂性来确定所需的解决方案和产品。

HVAC代表供暖、通风和空调。它涵盖了从小型空气移动设备到大型建筑系统的广泛应用。关键在于，HVAC不是单一市场，而是一个应用家族，在效率、复杂性和性能方面有着非常不同的要求。在所有这些细分领域中，电机控制是提升能源效率和系统性能的主要手段之一。这就是为什么意法半导体广泛的产品组合和模型控制生态系统如此重要。它们有助于缩短开发时间，并支持客户在这个快速变化的市场中开展工作。

我们先简要介绍一下家用空调的架构。它通常分为两个主要部分：室外机和室内机。外机包含主要的电源和控制功能，包括PFC、压缩机以及室外风扇电机控制。由于其消耗了大部分电能，它在系统效率和整体性能中起着最重要的作用。

内机包括室内风扇，以及用于用户交互的连接和HMI功能。因此，在这种架构模型中，控制解决方案主要用于压缩机、室外风扇和室内风扇，而PFC作为前端对于提高功率因数和效率也至关重要。

下图展示的是空气源热泵集成示例，室外机和室内机协同工作，将室外空气中的热量传递到建筑内部的水中，从而提供高效供暖。其整体结构与住宅空调类似，即外机包括PFC、压缩机和风扇。然而，室内机是不同的。它通常不是使用任何室内风扇，而是使用循环泵，因为系统是通过水来输送热量的。从实现的角度来看，设计复杂度在很大程度上取决于输入功率等级。对于单相230伏系统，可以使用单通道或交错式PFC。因此，将逆变器和PFC集成起来相对直接。相比之下，三相380伏系统需要更高耐压等级的器件，集成三相PFC加逆变器会变得困难得多。因此，市场对集成三相PFC和逆变器解决方案的需求正在持续增长。

而室外机通常的功率范围为5到15千瓦，由三相380伏电源供电。该单元的核心传统上包括两块板卡作为主要组件：PFC 转换器和 BLDC 压缩机驱动器。ST提供了一体化解决方案，将三相Vienna PFC与三相逆变器相结合，在尺寸、性能和成本方面都带来明显优势。基于ST的STM32 MCU，这种方案消除了冗余，并支持更智能的算法。

现在让我们谈谈两种快速增长的非舒适性热管理应用：AI数据中心和电网级电池储能系统。在AI数据中心中，散热是一个重大挑战，因为移除热量会消耗大量能源，并且会限制机架密度和GPU性能。随着计算需求持续上升，热管理正成为AI数据中心提升效率、紧凑性和可扩展性的关键保障。在电池储能系统中，热控制对于维持安全性至关重要。延长电池寿命，并支持在反复充放电循环中的可靠运行。在这两种应用中，热管理已不再只是辅助功能，而是系统性能和设计的核心部分。

让我们比较AI数据中心中传统风冷与新兴液冷架构。

在图中上半部分，我们看到的是传统方法，其中服务器风扇、机房周边空气处理机组和冷水机组协同工作，在房间级别带走热量。在图的下半部分，冷却架构更接近热源。

在这里，液体通过由泵、阀门和ACDU或冷却分配单元支撑的冷板循环流动，而冷水机组或干冷器则负责排热。两种方法的关键区别在于液冷将热管理从房间级别转移到了机架和芯片级别，在这些位置可以更高效地去除热量。随着GPU机架的功率密度不断提高，这一点尤其重要。因此，液冷正成为一种必要的演进，以提高能效并支持更高的机架密度。

数据中心中的电能如何转化为热量，以及这些热量如何被冷却基础设施带走。这个1.2MW数据中心的示例中，1.2 MW的电力输入会带来大约1.2 MW的热量产生，这些热量必须通过液冷和风冷共同管理。

主要的液冷组件是CDU冷却分配单元以及为机架处散热的循环冷却液泵。

风冷部分包括周边冷却单元和风扇，它们负责处理剩余的热负载。因此，这是一个从电力输入到热量排放的完整链路，并为电机控制和电源管理解决方案创造了多个机会，为所有这些系统提供支持，包括用于压缩机、泵、风扇和冷却子系统的微控制器、栅极驱动器、电源器件和传感器。

冷却系统的核心有三类电机：压缩机、风扇和水泵。这些对电机驱动器的要求非常严苛。能效至关重要，因为这些应用全天候运行，消耗大量能源。可靠性是必须的：必须持续保证热控制，以避免灾难性故障或因维护而停机。同时，设备还需要始终保持最佳性能，以应对快速变化的负载，并将温度和湿度维持在严格的规格范围内。集成化是第三个关键点：它与可靠性密切相关，因为它减少了组件数量、制造偏差以及设计复杂性。此外，分配给热管理的空间通常越小越好，因为制造商的目标是提高功率密度或计算密度。

尤其是在数据中心方面，可靠性至关重要。简单来说，目标是“零故障”。故障会带来灾难性的成本，维护停机同样如此。意法半导体提供多种产品及方案，如碳化硅MOSFET、传感器、电机控制和AI算法，以及高集成度的产品。

让我举几个例子：变速驱动器可通过平滑调节系统流量大幅降低管道应力和水泄漏；分布式dPFC将提高电磁兼容性，并降低峰值电流以及对配电线路的应力；智能传感器和边缘AI将实现状态监测和预测性维护，以提前发现与标准寿命的偏差；集成化则减少元件数量、制造偏差以及设计复杂性。ST提供全系列交钥匙解决方案，覆盖房间级空调、商用中央空调、空气源热泵、电网级电池储能热管理、AI数据中心液冷等全场景热管理应用。

ST的解决方案覆盖1至15千瓦的功率范围，并支持多种拓扑结构，复杂度和集成度不断提升。

单电机或双电机FOC，以及单相数字PFC；双电机和交错数字PFC；三电机和交错数字PFC；单电机和三相Vienna数字PFC。所有解决方案都通过单个STM32G4 MCU集中实现，借助ST强大的生态系统，在成本、竞争力、可扩展性以及快速上市方面具有显著优势。

在这些解决方案中，ST重点介绍三个面向高功率热管理应用的集成平台。

第一个是15kW/380V的VRF HVAC解决方案，其中单个STM32G4 MCU同时控制三相Vienna PFC和电机控制级。传统上，这些功能由多个芯片分别完成，并且控制器之间需要同步。这方案将其集成到一个MCU中，进一步提升系统紧凑性、控制协调性和可靠性。

第二个是4kW面向商业暖通空调应用的解决方案，单个STM32G4 MCU管理3路电机控制通道以及一个交错式单相PFC。这降低了系统复杂度和器件数量，同时实现更集成的室外机控制架构。

第三个是面向2至2.5kW的住宅或房间空调解决方案，将2路电机控制通道和PFC集成于单一器件中。它还采用ZeST和HSO这两种ST专属的无传感算法，有助于实现平稳启动、强低速转矩、降低峰值电流并提高能效。

因此，这些交钥匙及高度集成的解决方案，可提升功率效率、降低复杂度，并加快HVAC应用的上市速度。

结论

电机控制是高功率热管理系统的核心技术，直接决定了暖通空调、热泵和人工智能数据中心冷却系统的能效、可靠性和性能。意法半导体通过其电机控制技术创新中心，开发了以STM32微控制器为核心，结合先进功率模块、栅极驱动器和软件工具的完整解决方案，成功解决了行业面临的能效、可靠性、集成度等技术挑战。

互动活动

答题留言：

1. 传统电机驱动方案在高频工况下存在的痛点是什么？

A. 损耗升高、发热加剧

B. 转速变慢、扭矩不足

C. 安装复杂、调试困难

2. 文章中提到，电机高频化发展对驱动系统提出的核心诉求不包括？ A. 更高工作频率 B. 更低损耗、更高效率 C. 更大机身尺寸
3. ST推出的针对高频电机应用的解决方案，依托的核心器件是？ A. 功率器件与驱动芯片 B. 大容量储能电池 C. 智能显示面板

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活动时间：即日起-6月19日

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